Химики заставили два атома прореагировать друг с другом

Курамшин А.И.
(«ХиЖ», 2018, №6)

pic_2018_06_10-1.jpg

Атом натрия удерживали с помощью одного оптического пинцета, атом цезия — с помощью другого. Пинцеты, работой которых управляли при температуре ниже 1 мкK, помещали атомы в реакционную камеру, в которой и возникала молекула NaCs


Масштабы проведения химических реакций разнообразны — от микропроточных реакторов и лабораторных колб разного размера до промышленных установок. Исследователи из США провели химическую реакцию в самом малом масштабе — с помощью оптического пинцета они сблизили атомы натрия и цезия, заставив их образовать химическую связь, и получили молекулу Cs–Na («Science», 2018, doi: 10.1126/science.aar7797).

Обычно химическая реакция протекает в результате случайного столкновения большого количества частиц — атомов или молекул. События, которые при этом происходят, — разрыв старых и образование новых химических связей, перераспределение электронной плотности — зависят от вероятностей. Это, в свою очередь, означает, что все наши представления о механизме реакции — не что иное, как усреднение картины многочисленных столкновений. Некоторые методики слежения за химическими реакциями позволяют узнать, что происходит при взаимодействии сравнительно небольшого количества частиц — сотен или тысяч (для химии это действительно немного), однако наблюдать за взаимодействием пары атомов пока еще не удавалось.

Кан-Куэнь Ни из Гарварда с коллегами предположили, что для наблюдения за такой «элементарной» химической реакцией нужно не полагаться на милость природы, то есть на процессы диффузии либо пересечение пучков реагирующих частиц, а поймать отдельные атомы и приблизить их друг к другу, тщательно контролируя «стыковку». Для такого минималистического подхода исследователи захватили двумя оптическими пинцетами атом цезия и атом натрия. Оптический пинцет — это ультраохлажденный лазерный инструмент, позволяющий удержать атом или большую по размеру структуру, по сути, в луче света.

Частота одного оптического пинцета составляла 700 нм, другого — 976 нм. Различная поляризуемость атомов натрия и цезия означает, что натрий может связываться оптическим пинцетом с длиной волны 700 нм, а цезия — 976 нм. Таким образом, с помощью разных по частоте оптических пинцетов эти два атома можно удерживать на расстоянии друг от друга и независимо перемещать их в небольшом объеме. Исследователи внесли атомы в отдельную дипольную ловушку, где превратили их в молекулу с помощью фотона в ходе процесса, известного как реакция фотоассоциации. Мономолекулярная спектроскопия дала возможность проследить за реакцией и определить химические характеристики продукта — было доказано образование молекулы, состоящей из одного атома натрия и одного атома цезия.

Предполагается, что таким способом будет можно создавать и другие двухатомные молекулы. Их потенциальная значимость — не только теоретическая: известно, что молекулы, подобные NaCs, существуют в единственном квантовом состоянии, и это позволяет использовать их как кубиты — эквиваленты битов для квантового компьютера. Можно представить, совсем уже в отдаленной перспективе, как в таком компьютере будущего система ловушек и лазерных пинцетов создаст трехмерную систему кубитов.



Эта статья доступна в печатном номере "Химии и жизни" (№ 6/2018) на с.10.

Разные разности

12.09.2018 18:00:00

Сотрудники геологического факультета МГУ имени М.В. Ломоносова провели исследования арктического кратера на полуострове Ямал, выяснили причину его образования и открыли новое геологическое явление, ранее известное только для ледяных планет и планетоидов.

>>
07.09.2018 10:00:00

Сотрудник кафедры зоологии позвоночных МГУ имени М.В. Ломоносова в ходе международной экспедиции нашёл и описал новый вид тонконогих чесночниц. Вид назвали Leptobrachium tenasserimense.

>>
04.09.2018 10:00:00

...возможно, на Марсе есть подледное озеро жидкой воды шириной 20 км...


...редактирование геномов с помощью CRISPR-Cas9 может вызывать обширные делеции и геномные перестройки, затрагивающие многие тысячи нуклеотидов и потенциально патогенные...


...гугл-очки с функцией распознавания эмоций по выражению лица снижают проявления аутизма у детей...


>>
31.08.2018 10:00:00

Однозначно ответить на вопрос, какая сила позволяет паукам летать на своей расправленной паутине, никто не может почти двести лет. Похоже на электрическое явление, но никто пока что не собрался изучить связь паука с электричеством. Этот промах исправили Эрика Морли и Дэниэл Роберт из Бристольского университета.

>>
29.08.2018 13:00:00

Ответ на вопрос, заданный в заголовке, искали орнитологи во главе с Мартином Найфеллером из Базельского университета. Правда, не для всех птиц, а для тех, что уничтожают вредителей садов и огородов.

>>